机械加工工艺规程的设计

第2章机械加工工艺规程的设计第一节 概述第二节 机械加工的工艺过程设计第三节 机械加工的工序设计第四节 计算机辅助工艺过程设计第五节 工艺过程的生产率和经济性一、机械加工工艺规程的作用工艺规程是生产准备工作的依据工艺规程是组织生产的指导性文件工艺规程是新建和扩建工厂（或车间）时的原始资料便于积累、交流和推广行之有效的生产经验第一节概述（一）机械加工工艺规程的设计原则确保加工质量，可靠地达到产品图样所提出的全部技术条件。提高生产率，保证按期完成并力争超额完成生产任务。减少人力和物力的消耗，降低生产成本。尽量降低工人的劳动强度，使操作工人有安全良好的工作条件。二、机械加工工艺规程的制订程序（二）机械加工工艺规程的制订步骤和内容分析研究产品的装配图和零件图选择毛坯拟订工艺路线确定各工序所采用的设备确定各工序所采用的工艺装备确定各主要工序的技术要求及检验方法确定各工序的加工余量、工序尺寸和公差确定切削用量1

分析研究产品的装配图和零件图熟悉产品的性能、用途和工作条件明确各零件的相互装配位置及其作用，了解及研究各项技术条件制订的依据，找出其主要技术要求和关键技术问题等。对装配图和零件图进行工艺审查包括以下3方面：审查图样的完整性和正确性。审查是否有足够的视图，尺寸、公差和技术要求是否标注齐全等。若有错误或遗漏，应提出修改意见。审查零件技术要求的合理性。审查加工表面的尺寸精度、几何形状精度、各加工表面之间相互的位置精度、表面粗糙度、热处理等是否合理，在现有的生产条件下能否达到，需要采取何种工艺措施，过高的精度、过小的表面粗糙度值要求和其他过严的技术要求会使工艺过程复杂、加工困难。审查零件的结构工艺性。审查零件的结构工艺性是否合理。（一）零件的结构工艺性对零件作结构分析时，应考虑以下几方面：1

零件尺寸要合理尺寸规格尽量标准化尺寸标注要合理2

零件结构要合理零件结构应便于加工零件结构应便于度量（图2-10）零件结构应有足够的刚度（图2-11）三、零件的结构工艺性及毛坯选择图2-1零件结构应便于加工一个零件上的两相邻表面间应留有退刀槽和让刀孔，以便在加工中进刀和退刀，否则无法加工，如图2-2所示。应使刀具能顺利地接近待加工表面，如图2-3所示。图2-2图2-33）钻孔表面应与孔的轴线垂直，否则会引起两边切削力不等，致使钻孔轴线歪斜或折断钻头，设计时应尽量避免钻孔表面是斜面或圆弧面，如图2-4所示。图2-44）零件外表面比内表面的加工方便容易，故应尽量将加工表面放在零件外部。如果不能把内表面加工转化为外表面加工时，应简化内表面形状，如图2-5所示。图2-55）配合面的数目要尽量少，这样可降低零件精度，制造容易，装配方便，如图2-6所示。图2-66）应减少零件的加工表面面积，这样可降

低刀具消耗，减少装配时的修配工作量，

并能保证配合表面接触良好，如图2-7所示。图2-77）减少加工的安装次数，如图2-8、2-9所示。图2-8图2-9图2-10图2-11（二）毛坯选择机械加工常用的毛坯有铸件、锻件、型材件、焊接件等。选用时应考虑以下因素：零件的材料及其力学性能零件的结构形状和尺寸生产类型车间的生产能力充分注意应用新工艺、新技术、新材料•一、机械加工工艺过程的组成•二、定位基准的选择•三、零件表面加工方法的选择•四、加工顺序的安排•五、工序的集中与分散第二节机械加工的工艺过程设计一、机械加工工艺过程的组成（一）机械加工工艺过程机械加工工艺过程是由一个或若干个顺序

排列的工序组成，而工序又可细分为工步或走刀。（二）工艺文件工艺过程制订以后，要以表格卡片的形式确定下来，成为生产准备和机械加工依据的工艺文件。第二节机械加工的工艺过程设计1.工序工序是指一个（或一组）工人在一台机床（或一个工作地点）上，对同一个（或同时几个）工件所连续完成的那一部分工艺过程。图2-12

阶梯轴如图2-12所示，其工艺过程包括：①切一端面②打中心孔③切另一端面④打另一端中心孔⑤车大外圆⑥大外圆倒角⑦车小外圆⑧小外圆倒角⑨铣键槽⑩去毛刺图2-13相同加工表面的工步2.工步与走刀工步是在加工表面不变、加工工具不变、切削用量（机床转速和进给量）不变的条件下所连续完成的那一部分工序。在一个工步中，若被加工表面需切去的金属层很厚，要分几次切削，每进行一次切削就是一次走刀。图2-14复合工步3.安装与工位安装是指工件（或装配单元）通过一次装夹后所完成的那一部分工艺过程。工位是指在一次装夹中，工件在机床上所占的每个位置上所完成的那一部分工艺过程。二、定位基准的选择在最初的零件加工工序中，只能选用毛坯的表面进行定位，这种定位基准称为粗基准。在以后各工序的加工中，可以采用已经加工过的表面进行定位，这种定位基准称为精基准。1

粗基准的选择原则重要表面余量均匀原则

必须首先保证工件重要表面具有较小而均匀的加工余量，应选择该表面作为粗基准，图2-15。工件表面间相互位置要求原则

必须保证工件上加工表面与不加工表面之间的相互位置要求，应以不加工表面作为粗基准。如果在工件上有很多不加工的表面，则应以其中与加工表面相互位置要求较高的不加工表面作粗基准，以求壁厚均匀、外形对称等，图2-16、2-17。余量足够原则

如果零件上各个表面均需加工，则以加工余量最小的表面作为粗基准，图2-18。定位可靠性原则

作为粗基准的表面，应选用比较可靠、平整光洁的表面，以使

定位准确、夹紧可靠。不重复使用原则

粗基准的定位精度低，在同一尺寸方向上只允许使用一次，不能重复使用，否则定位误差太大。图2-15图2-16图2-17图2-182

精基准的选择原则基准重合原则

应尽可能选用零件设计基准作为定位基准，以避免产生基准不重合误差。统一基准原则

应尽可能选用统一的精基准定位加工各表面，以保证各表面之间的相互位置精度。自为基准原则

有些精加工或光整加工工序要求加工余量小而均匀，应选择加工表面本身作为精基准。（4）互为基准反复加工原则有些相互位置精度要求比较高的表面，可以采用互为基准反复加工的方法来保证。（5）定位可靠性原则

精基准应平整光洁，具有相应的精度，确保定位简单准确、便

于安装、夹紧可靠。图2-19三、零件表面加工方法的选择选择机械零件各表面的加工方法时，要综合考虑各方面工艺因素：加工表面本身加工要求被加工材料的性能生产类型本厂（或本车间）的现有设备情况及技术条件四、加工顺序的安排机械加工工序热处理工序

辅助工序复杂零件的加工工序先基面后其他先粗后精先主后次预备热处理最终热处理去除应力处理工件的检验去毛刺去磁清洗、涂防锈油先基面后其他表面加工一开始，总是先安排精基面的加工，然后以精基面定位加工其他表面。如果精基面不止一个，则应该按照基面转换的顺序和逐步提高加工精度的原则来安排基面和主要表面的加工。先粗后精先安排粗加工，中间安排半精加工，最后安排精加工和光整加工。先主后次先安排主要表面的加工，后安排次要表面的加工。1．机械加工工序安排原则预备热处理预备热处理安排在机械加工之前，以改善切削性能、消除毛坯制造时的内应力为主要目的。最终热处理

最终热处理安排在半精加工以后和磨削加工之前（但有氮化处理时，应安排在精磨之后），主要用于提高材料的强度和硬度，如淬火、渗碳淬火。由于淬火后材料的塑性和韧性很差，有很大的内应力，易于开裂，组织不稳定，材料的性能和尺寸要发生变化等原因，所以淬火后必须进行回火。调质处理能使钢材既获得一定的强度、硬度，又有良好的冲击韧性等综合力学性能，又常作为最终热处理。2．热处理工序（3）去除应力处理

最好安排在粗加工之

后、精加工之前，如人工时效、退火。但是为了避免过多的运输工作量，对于精度要求不太高的零件，一般把去除内应力的人工时效和退火放在毛坯进入机械加工车间之前进行。但是，对于精度要求特别高的零件（例如精密丝杠），在粗加工和半精加工过程中，要经过多次去除内应力退火，在粗、精磨过程中，还要经过多次人工时效。辅助工序包括工件的检验、去毛刺、去磁、清洗和涂防锈油等。其中检验工序是主要辅助工序，它是监控产品质量的主要措施，除了各工序操作工人自行检验外，还必须在下列情况下安排单独的检验工序：粗加工阶段结束之后。重要工序之后。送往外车间加工的前后，特别是热处理前后。特种性能（磁力探伤、密封性等）检验之前。3

辅助工序五、工序的集中与分散工序集中的特点便于采用高效专用机床和工艺装备，生产率高。减少了设备数量，相应地减少了操作工人和生产面。减少了工序数目，减少了运输工作量，简化了生产计划工作，缩短了生产周期。减少了工件安装次数，不仅有利于提高生产率，而且由于在一次安装中加工许多表面，也易于保证它们之间的相互位置精度。因为采用的专用机床和专用工艺装备数量多而复杂，所以机床和工艺装备的调整、维修较困难，生产准备工作量很大。2

工序分散的特点采用比较简单的机床和工艺装备，调整容易。由于工序内容简单，有利于选择合理的切削用量，也有利于平衡工序时间，组织流水生产。

3）生产准备工作量小，容易适应产品更换。对操作工人的技术要求低，或只需经过较短时间的训练。设备数量多，操作工人多，生产面积大。六、加工阶段的划分及其目的1.加工阶段的划分粗加工阶段

在这一阶段中，切除大量的加工余量，使毛坯在形状和尺寸上尽快接近成品，为半精加工提供精基准，其主要问题是如何获得高的生产率。半精加工阶段在这一阶段中，应为主要表面的精加工做好准备，并完成一些次要表面的加工。精加工阶段保证各主要表面达到或基本达到（精密件）图样规定的质量要求。光整加工阶段对于精度要求很高、表面粗糙度数值要求很小的零件，还要有专门的光整加工阶段。光整加工阶段是以提高加工的尺寸精度和减小表面粗糙度值为主，一般不用以纠正形状精度和位置精度。2.划分加工阶段的目的（1）利于保证加工质量

粗加工阶段中切除较多的加工余量，产生的切削力和切削热都较大，因而工艺系统受力变形、受热变形及工件内应力变形较大，不可能达到高的加工精度和表面质量。因此，需要在后续阶段逐步减少加工余量，来逐步修正工件的变形。同时各加工阶段之间的时间间隔相当于自然时效，有利于消除工件的内应力，使工件有变形的时间，以便在后续工序中加以修正，从而保证零件的加工质量。便于合理使用机床

粗加工时可采用功率大、精度低的高效率机床；精加工时可采用相应的精加工机床，这样，不但发挥了机床各自的性能特点，也延长了高精度机床的使用寿命。便于安排热处理工序

为了在机械加工工序中插入必要的热处理工序，同时使热处理发挥充分的效果，这就自然而然地把机械加工工艺过程划分为几个阶段，并且每个阶段各有其特点及应该达到的目的。此外，划分了加工阶段可带来两个有利条件：粗加工各表面后可及早发现毛坯的缺陷，及时报废或修补，以免继续进行精加工而浪费工时和制造费用。精加工工序安排在最后，可保护精加工后的表面少受损伤或不受损伤。一、机床和工艺装备的选择（一）机床的选择原则机床的加工尺寸范围应尽量与零件外形尺寸相匹配机床的精度应与工序要求的加工精度相匹配机床精度过低，则不能满足零件加工精度的要求；机床精度过高，则不仅浪费也不利于保护机床精度。当加工高精度零件而又缺乏精密机床时，可通过旧机床改装以及一定的工艺措施来实现。机床的生产率应与零件的生产类型相匹配一般单件小批生产选择通用机床，大批大量生产选择高生产率专用机床。机床的选择应与现有设备条件相匹配第三节机械加工的工序设计（二）工艺装备的选择原则夹具的选择

在单件小批生产中尽量选择通用夹具，有时可选择组合夹具；大批量生产中选用专用夹具。刀具的选择

一般情况下选用标准刀具，必要时可选用复合刀具和其他一些专用刀具。量具的选择

单件小批生产中选用通用量具；大批大量生产中选用各种规格和高生产率的专用量具。4）辅具的选择二、加工余量与工序尺寸及公差的确定（一）加工余量的确定在切削加工时，为了保证零件的加工质量，从某加工表面上所必须切除的金属层厚度，称为加工余量。分为总余量和工序余量两种。图2-20加工余量及工序尺寸公差（二）工序尺寸的确定例：图2-21所示零件的毛坯为一般精度的热轧圆钢，在中批生产条件下，其外圆表面的加工路线为：粗车→半精车→粗磨→精磨。确定各工序的余量计算各工序公称尺寸确定各工序的尺寸公差图2-21

阶梯轴（一）概述1.尺寸链的内涵和特征尺寸链是指由相互联系的按一定顺序排列的封闭尺寸组。尺寸链图是指把尺寸链中的尺寸按一定顺序首尾相接构成的封闭图形，如图2-22b所示。三、工艺尺寸链图2-22尺寸链的主要特征是：封闭性尺寸链是一组有关尺寸首尾相接构成封闭形式的尺寸。其中应包含一个间接保证的尺寸和若干个对此有影响的直接获得的尺寸。关联性尺寸链中间接保证的尺寸的大小和变化（即精度）是受那些直接获得的尺寸的精度所支配的，彼此间具有特定的函数关系，并且间接保证的尺寸的精度必然低于直接获得的尺寸精度。2.尺寸链的组成和尺寸链图的作法尺寸键的环构成尺寸链的每一个尺寸都称为“环”。组成环分为组成环Ai封闭环A∑增环减环尺寸链图的具体做法是：首先根据零件的加工工艺过程，找出间接保证的尺寸，定作封闭环。从封闭环起，按照零件上表面间的联系，依次画出有关直接获得的尺寸，作为组成环，直到尺寸的终端回到封闭环的起端，形成一个封闭图形。按照各尺寸首尾相接的原则，可顺着一个方向在各尺寸线终端画箭头。凡是箭头方向与封闭环箭头方向相同的尺寸为减环，箭头方向与封闭环箭头方向相反的尺寸为增环。第四节计算机辅助工艺过程设计一、概述二、CAPP的系统组成三、CAPP的基本原理一、概述CAPP是利用计算机编制零件加工工艺规程，通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸、表面粗糙度等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线、工序内容等工艺文件的过程。第四节计算机辅助工艺过程设计二、

CAPP的系统组成CAPP毛坯设计工艺路线工序设计工时定额机床刀工装余量切削工时

工序图具选用设计分配用量定额

绘制CAPP系统包括3个基本组成部分，即产品设计信息输入、工艺决策和产品工艺信息输出。三、CAPP的基本原理（一）样件法CAPP系统（二）创成法CAPP系统（三）管理型CAPP系统工作原理：利用零件相似性检索现有工艺的一种软件系统。要求先对零件编码，根据编码确定所属零件族，调用该族零件标准工艺，经过编辑修改，最终获得零件工艺规程。（一）样件法CAPP系统样件法是在成组技术的基础上，将同一个零件组中所有零件的结构要素合成为假想的（或实际的）该零件组的主样件。样件法CAPP系统的基本步骤包括：进行零件和样件的特征描述对各种工艺信息进行数字化处理建立数据库中的数据文件运行样件法CAPP系统对各种工艺信息进行数字化处理零件各种型面的数字化典型工艺路线的数字化工序及工步内容的数字化图2-27建立数据库中的数据文件特征矩阵文件典型工艺库文件标准工序、工步矩阵文件工艺数据文件（三）管理型CAPP系统CAPP系统解决的问题可以分为3层：第一层可以概括称为工艺设计，主要包括：在分

析和处理大量零件、知识、资源等信息的基础上

选择加工方法、机床、刀具、加工顺序，计算加

工余量、工序尺寸、公差、切削参数、工时定额，绘制工序简图，以及编制工艺文件等。第二层可以概括称为工艺管理，主要关系到工

艺文件、信息的填写、管理，工艺、产品信息

的汇总等事务性、管理性工作，如选择特定的

表格形式，提供表格填写工具和表格对应功能、工装信息汇总和通知，对工艺文件的审核和批

准，标准工艺的存储等。第三层可以概括称为工艺集成，是CAD、CAE、CAQ、CAM、PDM等系统的集成及并行开发等

企业全面信息化工作，如CAPP系统从CAD系统中智能化获取零件的尺寸、属性、工程符号等信息，对设计模型进行制造工艺分析；CAPP的输出适应CAM、PDM等系统的要求等。管理型CAPP系统的开发理念基于对企业的需求分析：第一，企业工艺部门的个性很强，随产品、生产模式的不同，工艺差异很大，包括使用卡片的不同，工艺汇总方法的不同，工艺编制过程的不同等。第二，工艺设计涉及的因素很多，如企业的加工设备、工艺装备、工艺手段、典型工艺等，这些信息可以统称为企业的工艺资源。第三，工艺设计由许多不同性质的子任务组成。管理型CAPP系统实施步骤如下：需求分析

包括调查企业工艺部门的组织结构、工艺类型、工艺编制的流程、相应的工艺卡片，分析企业的工艺资源和工艺汇总要求等内容。总体规划

软件提供商进行需求分析后，应该向企业提交需求分析报告、软件实施方案和培训计划等。再由企业的有关领导和有经验的技术人员与软件提供商的项目实施人员进行沟通，确定CAPP软件的实施计划，对需求分析的内容进行确认。这样才能保证软件实施的顺利进行。软件实施与培训

软件提供商的项目实施人员与企业的技术人员一起，利用CAPP系统在计算机上建立各类工艺卡片，帮助企业建立网络化的工艺资源库。对于有条件的企业，企业级的CAPP应用应该和图档管理系统结合起来。定制开发

在用CAPP系统满足了企业的大部分个性化的需求以后，企业可能仍然需要解决一些特殊的技术问题，这就需要软件提供商与企业协作，进行适当的定制开发。（一）时间定额时间定额是指在一定的技术和生产组织条件下制订出来的完成单件产品或某工序所消耗的时间。单件时间定额是指完成工件一个工序的时间定额。它包括以下部分：（1）基本时间

指直接改变工件的尺寸、形状和表面质量所消耗的时间，机械加工即是从工件上切去金属层所消耗的时间（包括刀具的切入和切出时间），也称机动时间。第五节

工艺过程的生产率和经济性一、工艺过程的生产率辅助时间

指在每个工序中为保证完成基本工艺工作所需要的辅助动作（如装卸工件、开停机床、改变切削用量、进退刀具、测量工件等）所耗费的时间。基本时间和辅助时间之和称为操作时间。工作地点服务时间

指工人在工作时间内照管工作地点和保持工作状态（如在加工过程中调整刀具、修整砂轮、润滑及擦拭机床、清理切屑、刃磨刀具等）所消耗的时间。休息和自然需要时间

指工人在工作班时间内所允许的必要的休息和生理上的自然需要所消耗的时间。准备与终结时间

指在加工一批工件的开始时，需要熟悉零件的图样和工艺文件、领取毛坯、安装刀具和夹具、调整机床等；在加工一批工件的结束时，需要拆卸和更换工艺装备、发送成品等所消耗的时间。（二）提高生产率的工艺措施缩短基本时间缩短辅助时间缩短技术性服务时间缩短准备结束时间缩短基本时间的方法：提高切削用量减少切削行程长度